傳感器-8霍爾傳感器課件

第八章霍爾傳感器

本章主要學(xué)習(xí)霍爾傳感器的工作原理、霍爾集成電路的特性及其在檢測(cè)技術(shù)中的應(yīng)用，還涉及交直流電流傳感器以及。霍爾元件是一種四端元件3/23/20231第一節(jié)霍爾元件的結(jié)構(gòu)及工作原理

半導(dǎo)體薄片置于磁感應(yīng)強(qiáng)度為B的磁場(chǎng)中，磁場(chǎng)方向垂直于薄片，當(dāng)有電流I流過(guò)薄片時(shí)，在垂直于電流和磁場(chǎng)的方向上將產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)EH，這種現(xiàn)象稱為霍爾效應(yīng)。

磁感應(yīng)強(qiáng)度B為零時(shí)的情況cdab3/23/20232磁感應(yīng)強(qiáng)度B較大時(shí)的情況作用在半導(dǎo)體薄片上的磁場(chǎng)強(qiáng)度B越強(qiáng)，霍爾電勢(shì)也就越高?；魻栯妱?shì)EH可用下式表示：

EH=KHIB3/23/20233磁場(chǎng)不垂直于霍爾元件時(shí)的霍爾電動(dòng)勢(shì)

若磁感應(yīng)強(qiáng)度B不垂直于霍爾元件，而是與其法線成某一角度

時(shí)，實(shí)際上作用于霍爾元件上的有效磁感應(yīng)強(qiáng)度是其法線方向（與薄片垂直的方向）的分量，即Bcos，這時(shí)的霍爾電勢(shì)與法線的夾角的余弦成正比：

EH=KHIBcos

3/23/20235磁場(chǎng)不垂直于霍爾元件時(shí)的霍爾電動(dòng)勢(shì)演示結(jié)論：霍爾電勢(shì)與輸入電流I、磁感應(yīng)強(qiáng)度B成正比。當(dāng)B的方向改變時(shí)，霍爾電勢(shì)的方向也隨之改變。如果所施加的磁場(chǎng)為交變磁場(chǎng)，霍爾電勢(shì)為同頻率的交變電勢(shì)。acdb3/23/20236霍爾元件的主要外特性參數(shù)

最大磁感應(yīng)強(qiáng)度BM

上圖所示霍爾元件的線性范圍是負(fù)的多少高斯至正的多少高斯？（1T＝104Gs）線性區(qū)3/23/20237第二節(jié)霍爾集成電路

霍爾集成電路可分為線性型和開關(guān)型兩大類。線性型集成電路是將霍爾元件和恒流源、線性差動(dòng)放大器等做在一個(gè)芯片上，輸出電壓為伏級(jí)，比直接使用霍爾元件方便得多。較典型的線性型霍爾器件如UGN3501等。線性型三端霍爾集成電路3/23/20239線性型霍爾特性右圖示出了具有雙端差動(dòng)輸出特性的線性霍爾器件的輸出特性曲線。當(dāng)磁場(chǎng)為零時(shí)，它的輸出電壓等于零；當(dāng)感受的磁場(chǎng)為正向（磁鋼的S極對(duì)準(zhǔn)霍爾器件的正面）時(shí)，輸出為正；磁場(chǎng)反向時(shí)，輸出為負(fù)。請(qǐng)畫出線性范圍3/23/202310開關(guān)型霍爾集成電路開關(guān)型霍爾集成電路是將霍爾元件、穩(wěn)壓電路、放大器、施密特觸發(fā)器、OC門（集電極開路輸出門）等電路做在同一個(gè)芯片上。當(dāng)外加磁場(chǎng)強(qiáng)度超過(guò)規(guī)定的工作點(diǎn)時(shí)，OC門由高阻態(tài)變?yōu)閷?dǎo)通狀態(tài)，輸出變?yōu)榈碗娖?；?dāng)外加磁場(chǎng)強(qiáng)度低于釋放點(diǎn)時(shí)，OC門重新變?yōu)楦咦钁B(tài)，輸出高電平。較典型的開關(guān)型霍爾器件如UGN3020等。3/23/202311開關(guān)型霍爾集成電路（OC門輸出）的接線請(qǐng)按以下電路，將下一頁(yè)中的有關(guān)元件連接起來(lái).3/23/202313開關(guān)型霍爾集成電路

與繼電器的接線?3/23/202314開關(guān)型霍爾集成電路的史密特輸出特性

回差越大，抗振動(dòng)干擾能力就越強(qiáng)。當(dāng)磁鐵從遠(yuǎn)到近地接近霍爾IC，到多少特斯拉時(shí)輸出翻轉(zhuǎn)？當(dāng)磁鐵從近到遠(yuǎn)地遠(yuǎn)離霍爾IC，到多少特斯拉時(shí)輸出再次翻轉(zhuǎn)？回差為多少特斯拉？相當(dāng)于多少高斯（Gs）？3/23/202315霍爾特斯拉計(jì)（高斯計(jì)）

霍爾元件3/23/202317霍爾高斯計(jì)（特斯拉計(jì)）的使用

霍爾元件磁鐵3/23/202318霍爾傳感器用于測(cè)量磁場(chǎng)強(qiáng)度

霍爾元件測(cè)量鐵心氣隙的B值3/23/202319霍爾轉(zhuǎn)速表原理

當(dāng)齒對(duì)準(zhǔn)霍爾元件時(shí)，磁力線集中穿過(guò)霍爾元件，可產(chǎn)生較大的霍爾電動(dòng)勢(shì)，放大、整形后輸出高電平；反之，當(dāng)齒輪的空擋對(duì)準(zhǔn)霍爾元件時(shí)，輸出為低電平。3/23/202321霍爾轉(zhuǎn)速傳感器在汽車防抱死裝置（ABS）中的應(yīng)用

若汽車在剎車時(shí)車輪被抱死，將產(chǎn)生危險(xiǎn)。用霍爾轉(zhuǎn)速傳感器來(lái)檢測(cè)和保持車輪的轉(zhuǎn)動(dòng)，有助于控制剎車力的大小和防止側(cè)偏。帶有微型磁鐵的霍爾傳感器鋼質(zhì)霍爾3/23/202322霍爾轉(zhuǎn)速表的其他安裝方法

只要黑色金屬旋轉(zhuǎn)體的表面存在缺口或突起，就可產(chǎn)生磁場(chǎng)強(qiáng)度的脈動(dòng)，從而引起霍爾電勢(shì)的變化，產(chǎn)生轉(zhuǎn)速信號(hào)?；魻栐盆F3/23/202323霍爾式無(wú)觸點(diǎn)汽車電子點(diǎn)火裝置工作原理

桑塔納汽車霍爾式分電器示意圖

1-觸發(fā)器葉片2-槽口3-分電器轉(zhuǎn)軸4-永久磁鐵

5-霍爾集成電路（PNP型霍爾IC）

a）帶缺口的觸發(fā)器葉片b）觸發(fā)器葉片與永久磁鐵及霍爾集成電路之間的安裝關(guān)系c）葉片位置與點(diǎn)火正時(shí)的關(guān)系

3/23/202325霍爾式無(wú)觸點(diǎn)汽車電子點(diǎn)火裝置(續(xù)）

汽車電子點(diǎn)火電路及波形

1—點(diǎn)火開關(guān)2—達(dá)林頓晶體管功率開關(guān)3—點(diǎn)火線圈低壓側(cè)4—點(diǎn)火線圈鐵心5—點(diǎn)火線圈高壓側(cè)6—分火頭7—火花塞

a）電路b）霍爾IC及點(diǎn)火線圈高壓側(cè)輸出波形

3/23/202326霍爾式無(wú)刷電動(dòng)機(jī)

霍爾式無(wú)刷電動(dòng)機(jī)取消了換向器和電刷，而采用霍爾元件來(lái)檢測(cè)轉(zhuǎn)子和定子之間的相對(duì)位置，其輸出信號(hào)控制電樞電流的換向，維持電動(dòng)機(jī)的正常運(yùn)轉(zhuǎn)。由于無(wú)刷電動(dòng)機(jī)不產(chǎn)生電火花及電刷磨損等問(wèn)題，所以它在錄像機(jī)、CD唱機(jī)、光驅(qū)等家用電器中得到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。

普通直流電動(dòng)機(jī)使用的電刷和換向器3/23/202329無(wú)刷電動(dòng)機(jī)在電動(dòng)自行車上的應(yīng)用

電動(dòng)自行車可充電電池組無(wú)刷電動(dòng)機(jī)3/23/202330無(wú)刷電動(dòng)機(jī)在電動(dòng)自行車上的應(yīng)用

無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的外轉(zhuǎn)子采用高性能釹鐵硼稀土永磁材料；三個(gè)霍爾位置傳感器產(chǎn)生六個(gè)狀態(tài)編碼信號(hào)，控制逆變橋各功率管通斷，使三相內(nèi)定子線圈與外轉(zhuǎn)子之間產(chǎn)生連續(xù)轉(zhuǎn)矩。具有效率高、無(wú)火花、可靠性強(qiáng)等特點(diǎn)。3/23/202331電動(dòng)自行車的無(wú)刷電動(dòng)機(jī)及控制電路去速度控制器利用PWM調(diào)速3/23/202332光驅(qū)用的無(wú)刷電動(dòng)機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)3/23/202333霍爾式接近開關(guān)

當(dāng)磁鐵的有效磁極接近、并達(dá)到動(dòng)作距離時(shí)，霍爾式接近開關(guān)動(dòng)作?；魻柦咏_關(guān)一般還配一塊釹鐵硼磁鐵。3/23/202334霍爾式接近開關(guān)

用霍爾IC只能用于鐵磁材料的檢測(cè)，并且還需要建立一個(gè)較強(qiáng)的閉合磁場(chǎng)。當(dāng)磁鐵隨運(yùn)動(dòng)部件移動(dòng)到距霍爾接近開關(guān)幾毫米時(shí)，霍爾IC的輸出由高電平變?yōu)榈碗娖?，使繼電器吸合或釋放，控制運(yùn)動(dòng)部件停止移動(dòng)（否則將撞壞霍爾IC），起限位的作用。

3/23/202335霍爾式接近開關(guān)用于轉(zhuǎn)速測(cè)量演示n=60f4(r/min)軟鐵分流翼片

開關(guān)型霍爾ICT3/23/202336霍爾電流傳感器將被測(cè)電流的導(dǎo)線穿過(guò)霍爾電流傳感器的檢測(cè)孔。當(dāng)有電流通過(guò)導(dǎo)線時(shí)，在導(dǎo)線周圍將產(chǎn)生磁場(chǎng)，磁力線集中在鐵心內(nèi)，并在鐵心的缺口處穿過(guò)霍爾元件，從而產(chǎn)生與電流成正比的霍爾電壓。3/23/202337霍爾電流傳感器演示鐵心線性霍爾IC

EH=KI

I

I所實(shí)現(xiàn)的多媒體界面：I3/23/202338其他霍爾電流傳感器3/23/202339其他霍爾電流傳感器（續(xù)）3/23/202340霍爾鉗形電流表（交直流兩用）壓舌豁口3/23/202341霍爾鉗形電流表演示直流200A量程被測(cè)電流的導(dǎo)線未放入鐵心時(shí)示值為零70.9A3/23/202342鉗形表的環(huán)形鐵心可以張開，導(dǎo)線由此穿過(guò)霍爾鉗形電流表演示霍爾鉗形電流表演示霍爾鉗形電流表演示70.9A3/23/202343霍爾鉗形電流表的使用被測(cè)電流的導(dǎo)線從此處穿入鉗形表的環(huán)形鐵心手指按下此處，將鉗形表的鐵心張開將被測(cè)電流導(dǎo)線逐根夾到鉗形表的環(huán)形鐵心中將空調(diào)電源的“三芯護(hù)套線”夾到鉗形表的環(huán)形鐵心中，鉗形表的示值為多少？為什么？3/23/202344霍爾鉗形電流表的使用（續(xù)）叉形鉗形表漏磁稍大，但使用方便用鉗形表測(cè)量電動(dòng)機(jī)的相電流3/23/202345霍爾式電流諧波分析儀

被測(cè)電流的諧波頻譜鐵心的開合縫隙

鐵心的杠桿壓舌3/23/202346霍爾電流傳感器的技術(shù)指標(biāo)

某型號(hào)霍爾電流傳感器技術(shù)指標(biāo)額定輸入電流：300A

額定輸出電：4±1%V

電源電壓：±15±5%V

失調(diào)電壓：25mV

失調(diào)電壓漂移：≤±1mV/℃

線性度：≤1%FS

響應(yīng)時(shí)間：≤7μS

絕緣電壓：50HZ，1min，2.5KV

工作溫度：-10～+70℃

匝數(shù)比：1：2000

3/23/202347閉環(huán)霍爾電流傳感器的原理電路3/23/202348霍爾電流傳感器的技術(shù)指標(biāo)與計(jì)算

“匝數(shù)比”：

NP被定義為“一次測(cè)線圈”的匝數(shù)，一般取NP=1；NS為廠家所設(shè)定的“二次側(cè)線圈的匝數(shù)”3/23/202349霍爾電流傳感器的計(jì)算